DE202022105277U1

DE202022105277U1 - Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE202022105277U1
Application number: DE202022105277.8U
Authority: DE
Original assignee: Hokon & Co Kg GmbH
Current assignee: Hokon & Co Kg GmbH
Priority date: 2022-09-19
Filing date: 2022-09-19
Publication date: 2023-12-20
Anticipated expiration: 2032-09-20

Abstract

Brennstoffzellenstapel mit wenigstens zwei Brennstoffzellen, die durch Haltemittel aneinandergedrückt sind, wobei die Haltemittel Mittel zum Verspannen des Stapels, Endplatten und mindestens ein Federelement umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Verspannen des Stapels als Spannband mit einem Federelement ausgebildet sind

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel oder ein anderes, thermisch beanspruchtes Bauelement, um eine gleichmäßige Spannung auf das Bauelement, insbesondere eine Brennstoffzelle (Stack) zu erzeugen, um dessen/deren reibungslosen Betrieb zu gewährleisten.
Brennstoffzellen sind Vorrichtungen zur Energieumwandlung, die chemische Energie, die in einem Brennstoff gespeichert ist, effizient in elektrischer Energie umzuwandeln. Die für die elektrochemische Reaktion notwendigen Reaktionsstoffe werden der Brennstoffstelle kontinuierlich und getrennt zugeführt.
Auch der Abtransport und die Umsetzung der Reaktionsprodukte erfolgen kontinuierlich. Als Reaktionsstoffe werden meist Brennstoffe und Oxidationsmittel verwendet. Hierzu zählen gasförmige Reaktionsstoffe, wie zum Beispiel H2 oder H2-haltiges Gas als Brennstoff und O2 oder ein O2-haltiges Gas (z.B. Luft) als Oxidationsmittel. Als Reaktionsstoffe ergeben sich alle an der elektrochemischen Reaktion teilnehmenden Stoffe, wie zum Beispiel auch H₂O (Wasser).
Derartige Brennstoffzellen erzeugen auch bei relativ geringen Betriebstemperaturen elektrischen Strom mit hoher Leistung. Die Brennstoffzellen werden in der Regel zu Brennstoffzellenstapeln (Stacks) gestapelt, um eine hohe Leistungsabgabe zu erzielen. Anstelle monopolarer Seperatorplatten werden häufig bipolare Seperatorplatten, sogenannte Bipolarplatten eingesetzt, die monopolaren Seperatorplatten dienen nur noch als Endplatten des Stacks. Die einzelnen Brennstoffzellen des Stacks werden mit Verspannungseinrichtungen aneinandergedrückt, so dass der Stack zusammengehalten wird und in Zusammenwirkung mit Dichtungsmitteln fluiddicht abgedichtet wird. Derartige Verspannungsmittel sind zum Beispiel umlaufende Bänder oder Zugstangen-Zuganker-Kombinationen.
Die durch die Verspannung erzeugten Kräfte sind bei derartigen Stacks nicht ausreichend homogen, d.h. gleichmäßig über die Fläche verteilt. Aus der DE 10 2004 027 694 B4 geht ein Spannsystem für ein Brennstoffzellenstapel hervor, bei dem ein Federelement so zwischen einer Endplatte und einem Verspannungsmittel angeordnet ist, dass es mit seiner im ungespannten Zustand konvexen Flachseite auf der Endplatte aufliegt und mit seiner im ungespannten Zustand konkaven Flachseite auf einem Verspannungsmittel, um die von dem Federelement auf den Brennstoffzellenstapel einwirkenden Kräfte zu sammeln und in einen zentralen Bereich der Endplatte zu leiten.
Aus der europäischen Patentanmeldung EP 1244167 A1 geht eine Verspannung zwischen zwei flexiblen Endplatten eines elektrochemischen Zellenstapels hervor, die eine Ausgleichsschicht aufweist. Die in Form einer elastischen Gummiplatte ausgebildete Ausgleichsschicht nivelliert die durch den Gegendruck des Zellenstapels entstehende konvexe oder konkave Durchbiegung der Außen- oder Innenseite der Endplatte. Die Ausgleichsschicht ist plan-konvex ausgebildet.
Aus der deutschen Patentschrift DE 28 28 397 C2 gehen konvexe oder konkave Klemmsysteme für ein Brennstoffzellenstapel hervor.
Die Übersetzung der europäischen Patentschrift DE 698 12 695 T2 und die Veröffentlichung DE 197 82 129 T1 offenbaren konvex-konkave Federelemente (Tellerfedern), die zu Stapeln angeordnet sind. Jeweils eine Tellerfeder liegt mit ihrer konkaven Seite auf einer Endplatte auf und eine andere Tellerfeder mit ihrer konvexen Seite auf einem Verspannungsmittel.
In der Patentschrift DE 100 49 801 B4 wird ein Brennstoffzellenstapel beschrieben, der durch Stapelung einzelner Brennstoffzellen zwischen zwei Endplatten hergestellt wird. Die beiden Endplatten werden durch Mittel zum Verspannen verspannt. Zwischen den Brennstoffzellenstapel und den Endplatten ist ein Federmittel positioniert, das eine konvexe und konkave Seite aufweist. Diese Tellerfeder kann durch Druckbeaufschlagung vollständig begradigt werden. Die Tellerfeder liegt dann mit ihrer konvexen Flachseite auf der Endplatte auf mit ihrer konkaven Flachseite auf einer endständigen Zelle des Brennstoffzellenstapels.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Brennstoffzellenstapel dahingehend weiter auszubilden, dass die Spannung auch beim Abkühlen erhalten bleibt, da sich eine Brennstoffzelle nach dem Erhitzen setzt. Das Setzverhalten der Brennstoffzelle soll keine negative Auswirkung auf die Spannkraft der Spannbänder haben.
Erfindungsgemäß ist dafür ein Brennstoffzellenstapel mit wenigstens zwei Brennstoffzellen, die durch Haltemittel aneinandergedrückt sind, wobei die Haltemittel Mittel zum Verspannen des Stapels, Endplatten und mindestens ein Federelement umfassen, vorgesehen.
Hierdurch wird eine gleichmäßige Spannung auf die Brennstoffzelle erreicht. Die Spannung bleibt auch beim Abkühlen erhalten, da sich die Brennstoffzelle nach dem Erhitzen setzt. Das Federelement sorgt dafür, dass das Setzverhalten der Brennstoffzelle keine negative Auswirkung auf die Spannkraft der Spannwände hat.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Federelement an der Stellschraube des Spannbandes angeordnet ist.
Dabei kann das Federelement in einer ersten Variante an der oberen Stellschraube angeordnet sein. In einer zweiten Version befindet sich das Federpaket in der unteren Konsole.
Die Federkennlinie ergibt sich aus 3. Als Feder wird vorzugsweise eine Feder wie die mit der Bestellnummer Nr. NV5 5S32044 aus der Produktgruppe 5 der Firma NVG (Systemfedern für extrem schwere Last) eingesetzt. Sie weist folgende Werte auf:

D = Ø 32 mm

d = Ø 16 mm

L₀ = Ø 44 mm

R +/- 10% = 1300 N/mm
Mit einem Federweg von 4,4 mm und einer Kraft von 5.720,2 N für eine 10% lange Lebensdauer und einem Federweg von 5,9 mm und einer Kraft von 7.670,0 N für 13,5 % mittlere Lebensdauer. Bei einem 15 % maximal zulässigen Arbeitsweg beträgt der Federweg 6,6 mm und die Kraft 8.580,0 N.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Diese zeigt in

1 A-D in verschiedenen Perspektiven einen Brennstoffzellenstapel auf einer Konsole mit oben angeordneter Stellschraube und Federelement;
2 A-D in verschiedenen Perspektiven einen Brennstoffzellenstapel gemäß 1 mit unten in der Konsole angeordneter Stellschraube und Federpaket;
3 die Federkennlinie für das Federpaket.

Ein nicht näher dargestellter Brennstoffzellenstapel wird von einem Spannband 1, ruhend auf einer Konsole 2, umschlossen. Dieses Spannband wird mit einer Stellschraube 3 gespannt. An der Stellschraube 3 ist ein erfindungsgemäßes Federelement 4 angeordnet. In der aus der 2 ersichtlichen Abwandlung befindet sich die Stellschraube 3 und das Federpaket 4 in der unteren Konsole 2. Diese Version ist platzsparend.
Natürlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Weitere Ausgestaltungen sind möglich, ohne den Grundgedanken zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102004027694 B4 [0005]
EP 1244167 A1 [0006]
DE 2828397 C2 [0007]
DE 69812695 T2 [0008]
DE 19782129 T1 [0008]
DE 10049801 B4 [0009]

Claims

Brennstoffzellenstapel mit wenigstens zwei Brennstoffzellen, die durch Haltemittel aneinandergedrückt sind, wobei die Haltemittel Mittel zum Verspannen des Stapels, Endplatten und mindestens ein Federelement umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Verspannen des Stapels als Spannband mit einem Federelement ausgebildet sind
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement an der Stellschraube des Spannbandes angeordnet ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellschraube und das Federelement in eine Konsole für den Brennstoffzellenstapel integriert sind.
Brennstoffzellenstapel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Federkennlinie R = 1.300 N/mm wie aus 3 ersichtlich beträgt.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder folgende Daten aufweist: D = Ø 32 mm d = Ø 16 mm L₀ = Ø 44 mm R +/- 10% = 1300 N/mm.